爱华网1.引言 电气设备在高电压、高电场的作用下，运行过程中的放电、电磁力、热应力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘等都会造成绝缘材料性能的逐步劣化，同时这种劣化是不可逆的并且不断加速。因此在局部高电场作用下的高压设备中某些绝缘薄弱环节会发生局部放电。电力传输线是电力系统中的重要部分之一，其线路绝缘状况的好坏直接影响着电力系统是否能够安全运行，一旦发生故障，有可能发生大面积停电事故，给点力系统和国民经济带来巨大损失，因此电力系统非常重视电力传输线的状态，尤其是其绝缘介质的健康状况。随着电力系统的发展和电压等级的提高，局部放电已经成为电力线路绝缘劣化的主要原因之一，因而测量电力传输线的局部放电是及时发现故障隐患、保障电力传输线可靠运行的重要方法。因此本文正是根据市场需求，研制了一种基于超声波的局部放电检测仪。 2.局部放电检测法及选择 局部放电检测法。局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能描述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程中会产生电脉冲、气体生成物、超声波、电磁辐射、光、局部过热以及长生能量损耗等现象。因此相应的就出现了电脉冲检测法、气象色谱检测发、超声波检测法、超高频检测法、电磁波检测法、光检测法和介质损耗检测法等多种检测方法。各种检测方法各有利弊，但是，目前在现场中，工程技术人员往往更关心运行电气设备和电力传输线的局部放点检测问题，特别是当放电量较大时，通过检测局部放电已确定电气设备、电力传输线绝缘的损坏程度。而这种情况适合超声波法检测，超声波检测法具有易于实现在线检测等优点，因此本文从线检测的角度出发，选择超声波法进行电气设备和电力传输线局部放电的研究。 局部放电和超声波的关系。在一定的局部放电条件下，超声波信号幅值与放电量大小成正比。随着放电量的增大，超声波频谱向低频移动不同的局部放电情况所发出的超声波信号波形不同 根据以上几点可以利用超声波法进行局部放电检测，放电的模式有放电的波形决定，放电量由超声波的幅值、频率、放电周期决定。 超声波传感器的选择。 在超声检测中，传感器的种类很多，性能各异，因此须根据检测对象，合理的选择传感器。传感器主要是对晶片尺寸、角度、频率等几个方面选择。 综合以上因素，本文选用的超声波传感器的中心频率最大宽度是80KHZ~150KHZ 3.系统整体设计、系统硬件结构 本文设计的超声波检测仪的硬件主要包括：微控制器STC89C52、超声波传感器、光纤传输、前端信号调理电路、A/D转换电路、片外高速RAM、放点显示和报警电路、接口转换电路等，系统整体原理结构图如图1所示。
超声波传感器接受的信号先经过光纤隔离，然后经过前端信号调理电路后，由低速AD转换器采样、数模转换后送给微处理器STC89C52与设定的阈值进行比较判断是否存在局部放电现象，如果不存在则不进行任何操作，如果存在局部放电，则对放电强度进行显示和报警，同时启动地址发生器和高速AD转换电路，对放电信号进行数据采集和存储，得到的数据传入上位机进行处理，微控制器STC89C52与上位机的通信用RS485接口实现。 4.模拟信号预处理单元和采样触发电路 模拟信号与处理。 从传感器输出的局部放电信号往往十分微弱，必须对其进行预处理后才能送入高速数据采集单元进行数模转换。本文中的信号预处理单元主要完成两方面的工作，一方面完成信号的放大，使信号的幅值满足A/D转换要求：另一方面对信号的频带加以限制，其目的是抑制高频干扰和抗频域混叠。实际的模拟信号预处理单元共有两路信号预处理电路，一路是用于检测是否有放电信号的整流触发电路，一路是在触发信号出现以后对放电信号进行滤波放大处理后再送给采样电路的处理电路。结构框图如图2所示。 采样触发电路的设计。 采样触发电路是把信号经过放大、整流、滤波、AD转换后送到单片机中，单片机将该信号于设定的阈值进行比较，如果信号的值大于设定的阈值电压，则认为存在局部放电现象，单片机就会触发高速采样电路，对局部放电信号进行高速数据采集和存储，反之，如果采样信号小于我们设定的阈值电压，则认为电路中不存在局部放电现象，单片机不会触发采样电路，高速采集模块就不会进行数据采集和存储。采样触发电路如图3所示。 TLC549是以八位开关电容逐次逼近型A/D转换器为基础而构造成的CMOS A/D转换器。其设计能通过三态数据输出和模拟输入与微处理器或外围电路设备串行接口。TLC549仅用输入/输出时钟（CLK）和芯片选择（CS）输入做数据控制。TLC549的最高CLK输入频率为1.1MHZ。TLC549的内部提供了片内系统时钟，它通常工作在4MHZ且不需要外部元件。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出的时序，并允许TLC549像许多软件和硬件要求的那样工作。CLK和内部系统时钟一起，可以实现高速数据传送以及对TLC549为每秒40000次的转换。 5.串行接口电路 串行通信是计算机系统中常用的通讯机制之一，串行通信的数据按位进行传输的，使用的传输线少，适用于长距离的信息传送。RS485通信的传输距离，抗干扰能力都是最优的，所以在上位机与下位机的通讯中我们采取RS485接口电路来实现上位机与下位机之间的数据传输。 PC机端口电路使用的是通用串行接口（USB）来实现上位机与下位机的数据传输，PC机的USB接口所定义的电平与RS-485C标准所定义的高、低电平信号完全不同。显然两者之间进行通讯必须经过接口转换来实现。本系统采用USB485模块作为电平转换芯片。 通过上面的工作就可以把局部放电信号采集并存储到PC机中，这样可以通过对局部放电脉冲波形的分析，分析出局部放电脉冲波形与局部放电模式和放电量之间的对应关系，便于对局部放电做进一步的研究。 参考文献 [1] 李福棋,姜磊等.新型固定式变压器放电在线检测系统[J].北京:清华大学学报(自然科学版).1999.39 [2] 李燕青.超声波法检测电力变压器局部放电的研究[D].保定:华北电力大学.2003 [3] 杨恩星.一种新型局部放电在线检测装置的研究[D].沈阳:沈阳工业大学.2003 [4] 徐阳,喻明,曹晓珑,等.局部放电光脉冲测量法及与电测法的比较[J].高电压技术.2001.27 [5] T.Boczar.Identification of specific type of PD from acoustic emission frequency spectra.IEEE transactions on Dielectrics and Electrical Insulation.2001.8 [6] 王 圣.便携式多功能局部放电检测仪的原理及应用[J].高电压术.1994.20(1):90-93. [7] 王国利,郝艳捧,李彦明.光纤技术在电力变压器绝缘检测中的应用[J].高电压术.2001.02 [8] 赵学亮.基于 ARM 的变压器绕组变形检测系统的研制[D].保定:河北农业大学.2008
